7 Arten des Spritzgießens: Materialien, Verfahren und Anwendungen

3. Gasunterstütztes Spritzgießen

Gasunterstütztes Spritzgießen ist ein spezielles Verfahren zur Herstellung von Teilen mit hohlen oder dickwandigen Abschnitten bei gleichzeitiger Minimierung von Einfallstellen und inneren Spannungen. Durch das Einleiten von Druckgas in die Schmelze entstehen bei diesem Verfahren innere Kanäle, die den Materialverbrauch reduzieren und die Kühlzeiten verkürzen. Es eignet sich besonders gut für große, ergonomisch geformte Bauteile, bei denen Gewichtsreduzierung und Oberflächenqualität von größter Bedeutung sind.

3.1 Wie das gasunterstützte Verfahren funktioniert

Beim gasunterstützten Spritzgießen beginnt der Zyklus ähnlich wie beim konventionellen Gießen: geschmolzener Kunststoff wird eingespritzt, um die Kavität teilweise zu füllen. Bei einem vorbestimmten Schussvolumen - oft 50-70% Füllung - wird das Werkzeug angehalten und ein genau getimter Stickstoffimpuls (N₂) durch spezielle Gasnadeln oder ein Angusssystem eingespritzt. Der Gasdruck drückt die Schmelze nach außen gegen die Kavitätenwände und bildet Hohlräume im Inneren des Teils.

Sobald das Gas die gewünschten Kanäle erzeugt hat, kühlt die Schmelze an der Formoberfläche ab und erstarrt zu einer dichten "Haut", während der Kern hohl bleibt. An der Gaseintrittsstelle wird eine "Quetschung" oder Dichtung gebildet, um das Gas im Inneren einzuschließen, und das Restgas wird durch den Angusskanal zurückgeführt. Das Ergebnis ist ein Bauteil mit gleichmäßigem Wandbild, minimalen Einfallstellen und deutlich reduzierter Masse.

3.2 Überlegungen zu Material und Design

Nicht jedes Polymer verträgt Gasunterstützung. Zu den üblicherweise verwendeten Harzen gehören:

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
• PC (Polycarbonat)
• HIPS (Hochschlagfestes Polystyrol)
• POM (Polyoxymethylen)
• PA (Nylon)
• PP (Polypropylen)

Bei der Konstruktion von gasunterstützten Leitungen ist eine gleichmäßige Wandstärke - in der Regel 2-8 mm - erforderlich, um das Gas entlang gerader, ununterbrochener Bahnen zu führen. Scharfe Ecken, drastische Querschnittsänderungen oder tiefe Rippen können den Gasfluss behindern und eine ungleichmäßige Kanalisierung verursachen. Die Formwerkzeuge müssen über eine robuste Entlüftung und spezielle, strategisch positionierte Gasstifte verfügen, damit die Gasfront reibungslos vorankommt.

3.3 Anwendungen und Beispiele

Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für Anwendungen, bei denen innen hohl und außen glatt sein soll:

• Hohle Griffe: Ergonomische Werkzeuggriffe oder Gehäuse von Elektrowerkzeugen, die sich robust anfühlen, aber weniger wiegen.
• Möbelfüße: Leichte Konstruktionselemente für Stühle oder Tische.
• Große Paneele: Wandverkleidungen oder Zierblenden in Geräten.
• Automobilkomponenten: Schalen für Armlehnen oder Kopfstützen mit eingebetteten Gaskanälen, um Gewicht zu sparen, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen.

So kann beispielsweise bei einer mit Gasdruckunterstützung geformten Armlehnenschale für Kraftfahrzeuge bis zu 25% des Schüttguts eingespart werden, was sowohl die Kosten als auch das Gewicht des Teils reduziert und gleichzeitig eine makellose Oberfläche gewährleistet.

3.4 Vorteile und Beschränkungen

Zu den Vorteilen des gasunterstützten Spritzgießens gehören:

• Materialeinsparungen von 15-30%dank Hohlkörpern
• Kürzere Zykluszeiten, da dünnere Häute schneller abkühlen
• Reduzierte Einfallstellen und Verzug in dicken Profilen
• Geringerer Schließkraftbedarf im Vergleich zum Füllen eines massiven Teils

Allerdings gibt es auch Kompromisse:

• Gaskanäle erschweren die Konstruktion von Formen und machen Werkzeuge mit mehreren Kavitäten zu einer Herausforderung
• Klare oder transparente Kunststoffe können an der Oberfläche beschlagen, wenn Gas mit der Schmelze in Berührung kommt.
• Ersteinrichtung und Prozessoptimierung erfordern erfahrene Formenbauer und Techniker

Durch Abwägen dieser Faktoren - Materialkompatibilität, Teilegeometrie und Produktionsvolumen - können Konstrukteure feststellen, ob das gasunterstützte Spritzgießen ein optimales Verhältnis zwischen Kosten, Qualität und Leistung bietet.

4. Multi-Material-Spritzgießen

Multimaterial-Spritzgießen (MMM) erhöht die herkömmliche Verfahren durch die Integration von zwei oder mehr Polymeren - oft mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften - in ein einziges Bauteil in einem Produktionszyklus. Anstatt die Teile nach dem Gießen zusammenzusetzen, stellt die MMM komplexe Baugruppen in situ her, indem sie starre Substrate mit elastomeren Umspritzungen kombiniert oder funktionale Einsätze mit kosmetischen Oberflächen einbettet. Dieser Ansatz kann die Anzahl der Teile reduzieren, die Montage rationalisieren und die Materialleistung genau dort variieren, wo sie benötigt wird.

4.1 Überblick über die MMM-Techniken

Das Multimaterial-Spritzgießen umfasst mehrere unterschiedliche Verfahren:

• Mehrkomponentenspritzguss: Sequentielles Einspritzen von verschiedenen Schmelzen über unabhängige Spritzeinheiten.
• Multi-Shot-Formen: Die Form schaltet zwischen den Schüssen um, so dass die Materialien verschiedene Schichten oder Abschnitte bilden können.
• Umspritzen: Ein zweites Material - in der Regel ein weicheres Elastomer - wird über einen vorgeformten Kunststoffkern oder -einsatz gespritzt.

Jede Technik erfordert spezifische Werkzeug- und Zyklusstrategien, doch allen gemeinsam ist das Ziel, voll integrierte Teile zu produzieren, ohne Sekundärmontage. Für eine genauere Erläuterung, siehe Multimaterial-Spritzgießen auf Wikipedia.

4.2 Übliche Materialkombinationen

Die Designer wählen Polymer-Paarungen, um kontrastierende Eigenschaften zu nutzen:

• Steif + weich: ABS- oder PC-Kerne mit TPE- oder TPU-Overmoulds für komfortable Griffe und Dichtungen.
• Mischungen: PC/ABS-Legierungen für ausgewogene Schlagfestigkeit und thermische Leistung.
• Hartplastik + Kautschuk: Funktionelle Zonen - wie rutschfeste Griffe oder Soft-Touch-Tasten - sind direkt auf eine robuste Basis gegossen.

Eine erfolgreiche Verklebung hängt oft von der chemischen Kompatibilität oder speziellen Haftvermittlern ab. Es ist auch wichtig, Unterschiede in der Schrumpfung und Wärmeausdehnung auszugleichen, um eine Delamination zu verhindern.

4.3 Anwendungen und Anwendungsfälle

Teile aus mehreren Werkstoffen sind in allen Branchen weit verbreitet:

• Zahnbürstengriffe, die starres Polypropylen mit einem weichen TPE-Griff in einem Zyklus kombinieren.
• Ergonomische Griffe für Elektrowerkzeuge mit Nylonkern und gummierter Ummantelung zur Vibrationsdämpfung.
• Medizinische Instrumente mit sterilen Soft-Touch-Fingerpads über einem starren Gehäuse.
• Dekorative oder funktionelle Einsätze, wie zweifarbige Logos oder transparente Fenster, die ohne Nachmontage geformt werden.

Diese nahtlose Integration von Form und Funktion verbessert sowohl die Produktästhetik als auch die Benutzererfahrung.

4.4 Vorteile und Beschränkungen

Zu den Vorteilen des Multimaterial-Spritzgießens gehören:

• Die Montage entfällt: Keine Klebstoffe, Schweißnähte oder manuellen Montageschritte.
• Lokalisierte Materialeigenschaften: Steifigkeit, Flexibilität oder Griffigkeit genau dort, wo sie benötigt werden.
• Gestaltungsfreiheit: Umspritzte Dichtungen, mehrfarbige Elemente und Nutzlasteinsätze in einem einzigen Werkzeug.

Zu berücksichtigende Zwänge:

• Komplexer Formenbau: Präzise Ausrichtung, mehrstufiger Anschnitt und Schussfolge sind unerlässlich.
• Höhere Werkzeugkosten: Zusätzliche Spritzeinheiten, Drehplatten oder Schlitten erhöhen die Investitionen.
• Längere Zykluszeiten: Jeder zusätzliche Schuss verlängert den gesamten Gießzyklus und beeinträchtigt den Durchsatz.

Durch Abwägen von Materialanforderungen, geplanten Stückzahlen und Budget können Sie feststellen, ob das Multimaterial-Spritzgießen die ideale Lösung für Ihr nächstes Projekt ist.

5. Mikro-Spritzgießen

Wenn die Abmessungen von Bauteilen in den Millimeter- und Submillimeterbereich schrumpfen, weicht das Standardspritzgießen dem Mikrospritzgießen. Dieses hochspezialisierte Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit einem Gewicht von nur 0,1 g und einer Strukturgröße von nur wenigen zehn Mikrometern. Es ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen Präzision und Miniaturisierung nicht verhandelbar sind, von medizinischen Implantaten über Uhren bis hin zu mikrofluidischen Geräten.

5.1 Definition von Micro Moulding

Der Begriff Mikrospritzguss bezieht sich auf alle Spritzgießverfahren, bei denen Schussgewichte von typischerweise 0,1 g bis 1 g und Kavitätenmerkmale in Mikrometern verarbeitet werden. Bauteile können kleiner als eine Erbse sein, erfordern jedoch enge Maßtoleranzen - oft ±0,01 mm oder besser. Einen umfassenden Überblick finden Sie unter Mikrospritzgießen auf Wikipedia.

5.2 Ausrüstung und Prozessanpassungen

Die Herstellung von Mikroteilen erfordert maßgeschneiderte Maschinen und Werkzeuge. Bei Mikrospritzgusspressen werden winzige Schnecken - in der Regel mit einem Durchmesser von 8-15 mm - eingesetzt, um präzise Schmelzmengen zu dosieren und einzuspritzen. Die Formen werden mit Oberflächengüten im Submikrometerbereich hergestellt, wobei die Formhohlräume nur wenige Millimeter groß sind. Die Prozesssteuerung muss die Einspritzgeschwindigkeit, die Schmelzetemperatur und den Gegendruck mit außergewöhnlicher Genauigkeit regeln. Selbst kleine Schwankungen der Zylindertemperatur oder der Schneckenposition können zu Gratbildung, kurzen Schüssen oder Maßabweichungen führen.

5.3 Materialien für Mikroteile

Nicht alle Polymere passen sich gut an ultrakleine Geometrien an. Niedrigviskose Typen von Polyoxymethylen (POM), Polycarbonat (PC) und Polypropylen (PP) sind wegen ihrer guten Fließfähigkeit und minimalen Schrumpfung beliebt. Bei bestimmten Anwendungen für Mikrodichtungen oder Mikroventile bieten Flüssigsilikone die erforderliche Flexibilität und Biokompatibilität in kleinstem Maßstab. Die Materialauswahl hängt oft von der Abwägung zwischen Fließfähigkeit, mechanischer Leistung und der Endanwendungsumgebung ab.

5.4 Anwendungsbeispiele

Das Mikrospritzgießen ist die Grundlage für mehrere Hochpräzisionsindustrien:

• Medizinische Geräte: Mikroventile, Mikroschlauchverbindungen und implantierbare Komponenten, die den Sterilisationsstandards entsprechen müssen.
• Zeitmesser: Mikrozahnräder und Hemmungsteile in Luxusuhren, bei denen Oberflächengüte und Toleranz von größter Bedeutung sind.
• Mikro-Optik: Linsenarrays und Mikroprismen für Sensoren oder Lab-on-a-Chip-Geräte, die optische Klarheit und präzise Geometrie erfordern.
• Mikroelektronik: Gehäuse und Anschlüsse für MEMS-Sensoren und Miniaturaktuatoren.

5.5 Vorteile und Herausforderungen

Das Mikrospritzgießen bietet eine unübertroffene Wiederholbarkeit und Präzision und ermöglicht Eigenschaften, die keine andere Massenproduktionsverfahren entsprechen kann. Diese Vorteile sind jedoch mit Abstrichen verbunden:

• Hohe Kapitalkosten: Ausrüstung und Werkzeugbau sind teuer, oft um ein Vielfaches teurer als bei herkömmlichen Systemen.
• Strenges Umfeld: Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration müssen streng kontrolliert werden, um Defekte zu vermeiden.
• Komplexe Wartung: Winzige Zuführungsöffnungen und enge Toleranzen erfordern eine sorgfältige Wartung und fachmännisches Können.

Trotz dieser Hürden ist das Mikrogießen nach wie vor die erste Wahl für alle Projekte, bei denen Miniaturisierung und hoher Durchsatz zusammentreffen und eine gleichbleibende Qualität von Teil zu Teil gewährleistet werden soll.

6. Flüssigsilikon-Spritzgießen

Das Flüssigsilikon-Spritzgießen (Liquid Silicone Injection Moulding, LIM) unterscheidet sich von thermoplastischen Verfahren durch die Verwendung von Flüssigsilikonkautschuk (LSR), einem Zweikomponenten-Elastomer, das in der Form aushärtet. Anstatt ein Polymergranulat zu schmelzen, werden bei LIM kalte Silikonkomponenten gemischt, in eine beheizte Kavität eingespritzt und die Vulkanisation in situ ausgelöst. Dieser spezielle Ansatz liefert hochpräzise Gummiteile mit ausgezeichneter Konsistenz - ideal für Anwendungen, die enge Toleranzen, Biokompatibilität oder extreme Hitze- und Chemikalienbeständigkeit erfordern.

6.1 Was ist Flüssigsilikon-Spritzgießen (LIM)?

Bei LIM werden zwei flüssige Silikonkartuschen - oft mit A und B bezeichnet - dosiert und unter Druck gemischt, bevor sie in die Form gelangen. Das Werkzeug wird auf Temperaturen zwischen 150 °C und 200 °C gehalten, bei denen das Silikon eine peroxidische oder platinkatalysierte Vulkanisation erfährt. Im Gegensatz zu Thermoplasten "schmilzt" LSR nie wirklich und es gibt keine Abkühlungsphase im klassischen Sinne: Das Teil verfestigt sich, während sich das Silikon im heißen Formhohlraum vernetzt. Nach der Aushärtung behält das Elastomer seine Form und Eigenschaften ohne weiteres Ausglühen bei.

6.2 Eigenschaften von Siliconelastomeren

Siliconelastomere bieten eine Kombination von Eigenschaften, die von den meisten Kunststoffen nicht erreicht werden:

• Biokompatibilität und Lebensmittelzulassung für medizinische Anwendungen oder Küchengeräte
• Breiter Temperaturbereich (-60 °C bis +230 °C) bei minimaler Veränderung der mechanischen Leistung
• Ausgezeichnete chemische Beständigkeit gegen Öle, Lösungsmittel und UV-Strahlung
• Niedriger Druckverformungsrest und hohe Elastizität für dauerhafte Dichtungen und Dichtungsringe
• Elektrische Isolationseigenschaften für elektronische Overmoulds

Diese intrinsischen Eigenschaften erklären, warum Ingenieure LSR oft dort einsetzen, wo Standardthermoplaste den anspruchsvollen Einsatzbedingungen nicht gewachsen sind.

6.3 Typische Anwendungen

LIM-Teile werden in verschiedenen Branchen eingesetzt:

• Medizinische Geräte: Katheterspitzen, implantierbare Dichtungen und Beatmungsmasken, bei denen sterilisierbare, biokompatible Komponenten unerlässlich sind.
• Konsumgüter: Küchenutensilien, kindersichere Flaschensauger und tragbare Produkte, die lebensmittelechte, flexible Materialien erfordern.
• Elektronik: Tastaturen, Dichtungen und Kabelumspritzungen, die von der Durchschlagfestigkeit und dem weichen Griffgefühl von Silikon profitieren.
• Kfz-Dichtungen: Türdichtungen, Anschlüsse im Motorraum und Schwingungsdämpfer, die Hitze, Öl und Ozon ausgesetzt sind.

Durch die Herstellung von Net-Shape-Teilen mit integrierten Merkmalen reduziert LIM die Montageschritte und erhöht die Zuverlässigkeit des Produkts.

6.4 Anforderungen an Ausrüstung und Verfahren

Die Durchführung eines zuverlässigen LIM-Zyklus hängt von Präzisionsgeräten und -werkzeugen ab:

• Dosier-/Mischköpfe: Doppelkolben- oder statische Mischsysteme sorgen für exakte A:B-Verhältnisse und homogenes Mischen.
• Beheizte Schimmelpilze: Thermisch kontrollierte Kavitäten sorgen für gleichmäßige Temperaturen, um gleichmäßige Aushärtungszeiten in allen Kavitäten zu gewährleisten.
• Hochdruck-Einspritzeinheiten: Pumpen oder Spritzen, die für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität ausgelegt sind, liefern Schussgewichte von einigen Gramm bis zu mehreren hundert Gramm ohne Scherverluste.
• Versiegelte Werkzeuge und Entlüftung: Enge Trennfugen verhindern Gratbildung, während Mikroventile eingeschlossene Luft entweichen lassen, ohne dass LSR ausläuft.

Strenge Prozesskontrollen in Bezug auf Temperatur, Druck und Schusszeitpunkt sind von entscheidender Bedeutung - jede Abweichung kann zu unzureichend gehärteten Stellen oder übermäßigem Grat führen.

6.5 Pro und Kontra

Profis

• Beinahe-Nettoformgenauigkeit, die eine sekundäre Bearbeitung oder Nachbearbeitung überflüssig macht
• Dauerhafte elastomere Eigenschaften mit ausgezeichneter physikalischer und chemischer Beständigkeit
• Vollautomatisches Mischen und Einspritzen für hohe Wiederholbarkeit
• Biokompatibilität und behördliche Zulassungen für medizinische und Lebensmittelanwendungen

Nachteile

• Irreversible Aushärtung verhindert das Nachschleifen oder Recyceln von Silikonabfällen
• Höhere Werkzeug- und Anlaufkosten im Vergleich zu thermoplastischen Gussformen
• Notwendigkeit spezieller Spritzeinheiten und eines präzisen Viskositätsmanagements
• Begrenzte Haltbarkeit des Rohmaterials nach dem Öffnen der Kartuschen

Durch Abwägen dieser Faktoren können Konstrukteure feststellen, ob die Leistungsvorteile von LIM die Vorabinvestitionen und die Prozesskomplexität rechtfertigen.

7. Struktureller Schaumstoff-Formteilbau

Das Formpressen von Strukturschaum - oder Formschaum - ist ein spezielles Spritzgussverfahren, bei dem ein Treibmittel oder Inertgas in die Polymerschmelze eingebracht wird, wodurch ein Teil mit einem geschäumten Kern geringer Dichte und einer festen Außenhaut entsteht. Diese Haut-Kern-Struktur verleiht dem Bauteil ein außergewöhnliches Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht und eignet sich daher ideal für große Bauteile, bei denen Gewichtsreduzierung, Materialeinsparung und strukturelle Steifigkeit von größter Bedeutung sind. Durch die Kombination von Form, Funktion und Wirtschaftlichkeit ermöglicht das Strukturschaumgießen die Herstellung von großen, leichten Teilen, die mit herkömmlichen Massivformverfahren nur schwer oder gar nicht zu realisieren wären.

7.1 Prozessgrundlagen

Bei einem typischen Strukturschaumzyklus werden das Polymerharz und ein chemisches Treibmittel - oder ein Inertgas wie Stickstoff - entweder direkt im Einspritzzylinder gemischt oder nach dem Einspritzen in den Formhohlraum eingeleitet. Wenn die Schmelze in den gekühlten Hohlraum eintritt, löst der Temperaturabfall die Zersetzung des Treibmittels oder die Ausdehnung des Gases aus, wodurch im gesamten Kern mikroskopisch kleine Blasen entstehen. Die äußere Oberfläche, die am Stahlwerkzeug anliegt, bricht unter Druck zusammen und bildet eine dichte "Haut", während das Innere aufgeschäumt bleibt. Diese zweiphasige Struktur kühlt schneller ab als ein vollständig festes Teil, und die geringere Materialdichte trägt zur Minimierung von Einfallstellen und inneren Spannungen bei.

7.2 Materialien und Treibmittel

Zu den gebräuchlichen Harzen für das Formen von Strukturschaum gehören Polyurethan, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat, Polyphenylenoxid (Noryl) und Polybutylenterephthalat. Chemische Treibmittel - häufig Azodicarbonamid- oder Natriumbicarbonat-Verbindungen - zersetzen sich bei vordefinierten Temperaturen und setzen Gase frei, die die Schmelze aufblähen. Alternativ kann auch Stickstoffgas unter kontrolliertem Druck eingespritzt werden. Bei der Auswahl von Harz und Treibmittel müssen die Viskosität der Schmelze, die Kompatibilität mit der Schäumungschemie und die gewünschten mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils berücksichtigt werden.

7.3 Anwendungen

Strukturelles Schaumgießen eignet sich hervorragend für die Herstellung großer, hohler oder halbhohler Teile, die eine hohe Festigkeit ohne übermäßiges Gewicht erfordern. Typische Anwendungen sind:

• Dach- und Türverkleidungen für Kraftfahrzeuge, die Steifigkeit bei geringerer Masse bieten
• Gehäuse und Schränke für medizinische Geräte und Laborausrüstung
• Schranktüren, große Gehäuse für Unterhaltungselektronik und Möbelteile
• Sportartikel wie Kajakrümpfe oder Schlittengestelle

Bei all diesen Anwendungen bieten Strukturschaumteile eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitiger Einsparung von Material und Energie.

7.4 Vorteile und Benachteiligungen

Vorteile:

• Erhebliche Gewichtseinsparungen und Materialreduzierung, wodurch die Teilekosten gesenkt werden
• Hohes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis - bis zu achtmal steifer als vergleichbare feste Polymere
• Fähigkeit, große Teile in einem Stück zu formen, wodurch sich die Montageschritte verringern
• Widerstandsfähigkeit gegen Verzug und geringeres Auftreten von Einfallstellen durch gleichmäßiges Aufschäumen

Benachteiligungen:

• Gröbere Oberflächenbeschaffenheit, die für ästhetische Anwendungen eine zusätzliche Nachbearbeitung erfordern kann
• Mindestwandstärke in der Regel über 0,25 Zoll (≈6,35 mm), was sehr dünne Teilekonstruktionen einschränkt
• Längere Zykluszeiten im Vergleich zum konventionellen Gießen, da die Schäum- und Abkühlphasen sorgfältig kontrolliert werden müssen
• Geringe Maßabweichungen sind bei geschäumten Kernen möglich.

7.5 Gestaltungsrichtlinien

Effektive Strukturschaumdesigns sorgen für ein Gleichgewicht zwischen Strömungssymmetrie und Wandstärke, um ein gleichmäßiges Aufschäumen und Abkühlen zu gewährleisten. Empfohlene Wandstärken beginnen bei 0,25 Zoll (≈6,35 mm) oder mehr, mit allmählichen Übergängen zwischen Abschnitten, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Die Formen sollten großzügige Radien, Entlüftungskanäle zur Ableitung überschüssiger Gase und robuste Entformungswinkel für einen zuverlässigen Teileauswurf aufweisen. Ausbalancierte Angusssysteme und Anschnittpunkte tragen dazu bei, eine gleichmäßige Hautdicke um die Kavität herum zu erhalten. Durch die Einhaltung dieser Richtlinien können Konstrukteure das Strukturschaumgießen nutzen, um große, leichte Bauteile mit hervorragender struktureller Leistung herzustellen.